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sFA106694 ISSN 0335-3931

NF P 94-132Octobre 2000

Indice de classement : P 94-132

ICS : 93.020

Sols : Reconnaissance et essais

Essai d’eau Lefranc

E : Soils: Investigation and testing — Lefranc testD : Boden: Erkundung und Prüfungen — Lefranc Prüfung

Norme française homologuée par décision du Directeur Général d'AFNOR le 20 septembre 2000 pour prendre effetle 20 octobre 2000.

Remplace la norme homologuée NF P 94-132, de juin 1992.

Correspondance À la date de publication du présent document, il n'existe pas de travaux internatio-naux ou européens traitant du même sujet.

Analyse Le présent document définit la terminologie, spécifie les conditions de préparation del’essai et les caractéristiques de l’appareillage. Il fixe le mode opératoire à suivrepour réaliser un essai d’eau Lefranc et précise la présentation des résultats.

Cet essai, applicable à tous les sols fins ou grenus sous la nappe, est un moyen dereconnaissance du terrain en place et permet d’évaluer une caractéristique hydrau-lique du sol par la détermination d’un coefficient de perméabilité locale, dit coefficientde perméabilité Lefranc.

Descripteurs Thésaurus International Technique : géotechnique, sol, essai, essai en place, per-méabilité, eau, propriété hydraulique, appareillage, mode opératoire.

Modifications Par rapport au document remplacé, ces modifications portent sur :

— le diamètre de la cavité et le facteur de forme ;

— l’exploitation des mesures ;

— la réalisation d’un essai par paliers.

Corrections

© AFNOR 2000 AFNOR 2000 1er tirage 2000-10-F

Éditée et diffusée par l’Association Française de Normalisation (AFNOR), Tour Europe 92049 Paris La Défense Cedex Tél. : 01 42 91 55 55 — Tél. international : + 33 1 42 91 55 55

Sols — Reconnaissance et essais BNSR/SRE

Membres de la commission de normalisation

Président : M PAREZ

Secrétariat : M BIGOT — DREIF. LABORATOIRE REGIONAL DE L'EST PARISIEN

M AMAR LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSEES

M BARNOUD GEOTEC

M BLONDEAU P. COPREC / SOCOTEC

M CASSAN FONDASOL

M DORÉ MECASOL

M GOUBET SIMECSOL

M LEGENDRE SOFFONS / SOLETANCHE BACHY

M MALATERRE EDF — CEMETE

M PAREZ SOL — ESSAIS

MME PINEAU AFNOR

M RINCENT RINCENT — B.T.P. SERVICES

M TALFUMIERE S.N.C.F. — DIRECTION DE L’EQUIPEMENT

M ZERHOUNI USG / SOLEN GEOTECHNIQUE

— 3 — NF P 94-132

Avant-propos ....................................................................................................................................................... 4

1 Domaine d’application ....................................................................................................................... 4

2 Notations ............................................................................................................................................ 4

3 Principe de l’essai .............................................................................................................................. 4

4 Appareillage ....................................................................................................................................... 5

5 Mode opératoire ................................................................................................................................. 55.1 Confection de la cavité ........................................................................................................................ 55.1.1 Réalisation d'une cavité dans des terrains pulvérulents ou boulants .................................................. 55.1.2 Réalisation d'une cavité en terrain cohérent ........................................................................................ 65.1.3 Réalisation d'une cavité dans un terrain faiblement cohérent ............................................................. 65.2 L'essai et les mesures ......................................................................................................................... 65.2.1 Repère et origine des mesures ............................................................................................................ 85.2.2 Débit d'essai ........................................................................................................................................ 85.2.3 Mesures au cours de l'essai ................................................................................................................ 8

6 Expression des résultats .................................................................................................................. 8

7 Procès-verbal d'essai ...................................................................................................................... 10

Annexe A (normative) Exploitation des mesures ......................................................................................... 12

A.1 Utilisation des mesures dans la phase d’essai en régime permanent ............................................... 12

A.2 Utilisation des mesures lors de la phase transitoire de l’essai .......................................................... 12

Annexe B (informative) Essai par paliers ...................................................................................................... 17

SommairePage

NF P 94-132 — 4 —

Avant-propos

L'essai d'eau Lefranc est un moyen de reconnaissance du terrain en place qui permet d'évaluer une caractéristi-que hydraulique locale du sol et de déceler des hétérogénéités dans les terrains.

Cet essai ne doit pas être utilisé seul pour dimensionner un rabattement de nappe.

Il doit être associé à une étude géotechnique du site afin d’identifier les différentes couches.

1 Domaine d’application

Le présent document s’applique à l’essai d’eau Lefranc réalisé en place dans les sols fins ou grenus sous la nappedont le coefficient de perméabilité présumé est supérieur à une valeur de l’ordre de 1.10 -6 m/s. L'essai permet dedéterminer un coefficient de perméabilité locale qui peut être nettement différent du coefficient de perméabilité engrand.

2 Notations

B est le diamètre de la cavité ;

Be est le diamètre extérieur du tubage ;

Bi est le diamètre intérieur du tubage ;

c est l’élancement de la cavité : quotient de la longueur de la cavité par son diamètre ;

h(t) est la variation de la charge hydraulique : différence altimétrique entre le niveau d'équilibre de la nappe aurepos et le niveau d'eau dans le forage à un instant donné ;

He(t) est la distance séparant le niveau d’eau dans le tubage et le sommet du tubage ;

kL est le coefficient de perméabilité Lefranc ;

L est la longueur de la cavité ;

m est le facteur de forme de la cavité ;

mo est le facteur de forme pour une cavité éloignée des limites de l'aquifère ;

Qa est le débit constant d’extraction ou d’apport d’eau dans le forage ;

Q(t) est le débit percolant à travers la paroi de la cavité à un instant t ;

S est l’aire de la section transversale intérieure du tube d'écoulement ;

V est le volume d’eau prélevé dans le forage ;

v(t) est la vitesse de variation de la charge hydraulique en fonction du temps ;

a est la pente de la tangente au point d'inflexion de la courbe représentative de la charge h en fonction de (1/t).

3 Principe de l’essai

L'essai d'eau Lefranc consiste à :

— créer à l'intérieur du sol par extraction, une cavité, à la base d'un forage, reliée à la surface du sol par un tube(voir Figure 1a)). La cavité est limitée par le fond et une partie de la paroi du forage. Cette cavité doit être amé-nagée de telle sorte que la filtration ne s'effectue qu’au travers de ses parois et non par celles du forage ;

— produire une diminution de charge dans la cavité :

- soit, de préférence, par prélèvement d’eau sous débit constant Qa pendant tout l’essai ;

- soit par prélèvement d’eau unique avant toute mesure ;

— mesurer la charge d'eau h(t) dans le forage en fonction du temps t ;

— 5 — NF P 94-132

— calculer le coefficient de perméabilité à partir de la mesure du débit Q(t) percolant à travers la paroi de la cavitéà un instant donné, par la formule suivante :

Q(t) = m.kL.h(t).B

où :

kL est le coefficient de perméabilité Lefranc du sol ;

h(t) est à la variation de la charge hydraulique ;

B est le diamètre de la cavité ;

m est un facteur qui ne dépend que de la forme de la cavité et de la position de cette dernière par rapportaux limites de l'aquifère.

NOTE Lorsque la méthode par prélèvement s’avère impossible (par exemple pompe située en surface et déniveléeentraînant un désamorçage de la pompe, diamètre du forage trop petit pour introduire une pompe immergée) l’essai peutêtre réalisé par apport d’eau dans le forage pour produire une augmentation de charge dans la cavité et dans les mêmesconditions que ci-dessus.

4 Appareillage

Outre le matériel de forage, il faut :

— un dispositif de mesure de débit, avec une incertitude de 5 % de la valeur mesurée ;

— une réserve d'eau (si nécessaire) ;

— un dispositif permettant la mesure du niveau d'eau en s'affranchissant des turbulences (tube plongeur) ;

— une sonde permettant la mesure de la profondeur du niveau d'eau, avec une incertitude de 1 cm ;

— un chronomètre avec affichage de la seconde.

5 Mode opératoire

5.1 Confection de la cavité

Le résultat de l’essai est directement lié à la qualité de réalisation de la cavité.

Quelle que soit la nature des sols, le forage qui permet d'obtenir la cavité utilisée pour l'essai doit être exécutéexclusivement à l'eau claire ou à l'air (Figure 1).

La cavité doit se trouver entièrement dans l’épaisseur de l’aquifère.

5.1.1 Réalisation d'une cavité dans des terrains pulvérulents ou boulants

Comme l’excavation se fait sous l’eau, l’opération de curage du fond du forage doit éviter à la fois l’éboulementdu forage et l’introduction d’éléments fins en provenance du terrain. Le forage doit être réalisé avec tubage.

L'un des deux procédés suivants doit être utilisé :

a) manchon Lefranc

Un manchon perforé, de même diamètre que le tubage, et revêtu intérieurement d'une toile métallique (afind'éviter la pénétration des éléments fins) est incorporé dans la colonne de tubage à 1,5 m environ au-dessusdu sabot. La base du tubage est rendue étanche soit en utilisant un obturateur gonflable, soit au moyen d'unbouchon d'argile, voir Figure 1a).

b) tubage avec matériau filtre

Le tubage, extérieurement lisse et de même diamètre que le sabot, est descendu jusqu'au niveau d'essai. Unmatériau filtre (gravillons), beaucoup plus perméable que le terrain en place, est introduit à l'intérieur du tubageet descendu jusqu'au fond du trou de forage. Puis le tubage est remonté d'une hauteur égale à la longueur dela cavité prévue, voir Figure 1b).

NOTE L’élancement de la cavité doit être supérieur à deux en l’absence de bouchon à la base du forage.

NF P 94-132 — 6 —

5.1.2 Réalisation d'une cavité en terrain cohérent

Si la tenue des parois du forage ne nécessite pas de tubage, la cavité est aménagée en utilisant directement lapartie inférieure du forage.

L'isolation de la partie supérieure de la cavité est alors réalisée à l'aide d'un obturateur dilatable ou au moyen d'unnoyau d'argile placé au-dessus de la cavité, cette dernière ayant été remplie d'un matériau filtre (gravillons), voirFigure 1c).

S’il y a un risque de gonflement du terrain, procéder comme au paragraphe 5.1.1.

5.1.3 Réalisation d'une cavité dans un terrain faiblement cohérent

Dans un terrain faiblement cohérent, le forage est nécessairement tubé et c'est le tubage qui assure l'étanchéitédes parois du forage. Les procédés utilisables sont ceux décrits en 5.1.1.

5.2 L’essai et les mesures

a) Sol pulvérulent

Légende

1 Terrain 5 Bouchon étanche ou obturateur dilatable

2 Niveau du terrain naturel 6 Tubage

3 Niveau de la nappe 7 Manchon perforé (Lefranc)

4 Cavité 8 Sabot

Figure 1 — Réalisation d'une cavité pour un essai d'eau Lefranc (à suivre)

— 7 — NF P 94-132

b) Phasage

Légende

1 Terrain 5 Tubage

2 Niveau du terrain naturel 6 Matériau filtre

3 Niveau de la nappe (*) Tubage puis introduction du matériau filtre

4 Cavité (**) Relevage du tubage

c) Sol cohérent

Légende

1 Terrain 5 Bouchon étanche ou obturateur dilatable

2 Niveau du terrain naturel 6 Tube d’écoulement

3 Niveau de la nappe 7 Filtre

4 Cavité

Figure 1 — Réalisation d'une cavité pour un essai d'eau Lefranc (fin)

NF P 94-132 — 8 —

5.2.1 Repère et origine des mesures

Avant de procéder à un apport ou un prélèvement d'eau dans le terrain, il faut :

— choisir un repère altimétrique fixe de référence ;

— mesurer le niveau du bord supérieur du tubage par rapport à ce repère ;

— mesurer la profondeur du niveau de l'eau dans le forage par rapport au bord supérieur du tubage pris commeorigine ;

— mesurer la dénivellation entre le niveau du terrain et le niveau du bord supérieur du tubage ;

— connaître le niveau stabilisé de la nappe lors de la réalisation de l’essai.

L'incertitude sur les mesures est de 1 cm.

5.2.2 Débit d'essai

La valeur du débit constant Qa est choisie à partir d'une phase préliminaire en procédant de telle sorte que la varia-tion du niveau d'eau dans le forage soit au moins de 10 cm pendant la première minute.

Si le débit a été réduit au minimum et que le forage a été vidé, l’essai est poursuivi en mesurant la remontée duniveau d’eau en fonction du temps, après arrêt du prélèvement.

5.2.3 Mesures au cours de l’essai

L'essai commence ensuite au moment où débute le prélèvement d'eau au débit constant choisi.

Les mesures du niveau d'eau dans le forage sont effectuées toutes les minutes pendant les vingt premières minu-tes. Au-delà, les lectures sont poursuivies toutes les 5 min jusqu'à l'obtention de trois valeurs successives qui nediffèrent pas de plus de 1 cm entre elles. Si cela ne se produit pas, l'essai est arrêté au bout d'une heure.

Après annulation du débit, le niveau d'eau dans le forage est mesuré aux intervalles de temps suivants : aumoment de l'annulation du débit ; 30 s après ; une minute après ; puis toutes les minutes pendant un temps égalà la moitié de la durée de l'essai à débit constant non nul.

6 Expression des résultats

L’exploitation des mesures consiste à déterminer le coefficient de perméabilité Lefranc kL, exprimé en mètres parseconde, à partir de la formule donnée à l'article 4 :

Conventionnellement, le diamètre B est définit dans les trois cas suivants :

a) en présence d’un manchon LEFRANC, B est le diamètre extérieur Be du manchon ;

b) lorsque le filtre est mis en place pendant la remontée du tubage, B est le diamètre extérieur Be du tubage ;

c) si la cavité est réalisée au moyen d’un outil descendu plus bas que le tubage du forage, B est le diamètre del’outil qui en général est sensiblement égal au diamètre intérieur Bi du tubage.

La longueur de la cavité (L) est définie sur la Figure 1.

Les valeurs du facteur m sont données dans les tableaux 1 et 2 avec les notations de la Figure 2.

Une méthode utilisée pour déterminer le coefficient de perméabilité kL est donnée dans l'annexe A. Elle reposesur la comparaison des valeurs expérimentales avec la courbe théorique h(t) et permet d'apprécier si l'essai rendcorrectement compte des caractéristiques hydrauliques du terrain en place, au niveau considéré.

kLQ(t)

m h(t) B⋅ ⋅---------------------------=

— 9 — NF P 94-132

a) Cavité proche du substratum imperméable

b) Cavité proche de la surface de la nappe

c) Cavité proche de la surface d'un sol situé sous la nappe

Légende

1 Terrain

2 Niveau du terrain naturel

3 Niveau de la nappe

4 Substratum imperméable

5 Niveau du plan d’eau

Figure 2 — Position de la cavité

NF P 94-132 — 10 —

7 Procès-verbal d'essai

Le procès-verbal doit comporter au minimum les informations suivantes :

— la référence au présent document NF P 94-132 ;

— le nom de l’organisme qui a réalisé l'essai ;

— l'identification du chantier ;

— la localisation du repère fixe de référence et sa cote altimétrique ;

— la référence du sondage ;

— la date de l'essai ;

— le niveau d'équilibre de la nappe au repos Hp ; mesurée par rapport au sommet du tubage ;

— le diamètre du forage Be, le diamètre de la cavité B, le diamètre intérieur du tubage Bi ;

— le niveau du bord supérieur du tubage HT, par rapport au terrain naturel ;

— la profondeur initiale de l'eau dans le forage He(o) ;

— le débit d'extraction d'eau en fonction du temps Q(t) ;

— les profondeurs des niveaux haut et bas de la cavité (Hc – 0,5 L ; Hc + 0,5 L) ;

— les conditions de réalisation de l’essai (débit du prélèvement ou d’apport, vidage, prélèvement unique) ;

— les mesures de la phase préliminaire ;

— les mesures du niveau d'eau en fonction du temps He(t) et la valeur qui en est déduite pour le coefficient deperméabilité Lefranc kL en indiquant la méthode par laquelle a été obtenu ce coefficient.

Tableau 1 — Valeur du facteur de forme mo d'une cavité éloignée des limites de l'aquifère

c = L/B mo

c > 10

0 ≤ c < 1,2 2 + 4,5 c

Tableau 2 — Valeur du facteur de forme m en fonction des limites de l'aquifère

Cavité éloignée des limites de l'aquifère m = mo

Cavité proche du substratum imperméable, voir Figure 2a) avec

Cavité proche de la surface de la nappe, voir Figure 2b) avec

Cavité proche de la surface d'un sol situé sous la nappe, voir Figure 2c)

2πcln 2c( )-----------------

1,2 c 10≤ ≤

2πc

ln c c2 1+ +

0,5

------------------------------------------------

H Hw≤ 1 m⁄ 1 mo⁄ B 8 π H⋅ ⋅⁄+=

Hw H≤ 1 m⁄ 1 mo⁄ B 8 π Hw⋅ ⋅⁄+=

1 m⁄ 1 mo⁄ – B 8 π Hc⋅ ⋅⁄=

— 11 — NF P 94-132

Un exemple de procès-verbal est donné Figure 3.

Figure 3 — Procès-verbal d'essai d'eau Lefranc — Exemple

NF P 94-132 — 12 —

Annexe A

(normative)

Exploitation des mesuresInit numérotation des tableaux d’annexe [A]!!!Init numérotation des figures d’annexe [A]!!!Init numérotation des équations d’annexe [A]!!!

A.1 Utilisation des mesures dans la phase d’essai en régime permanent

Le régime permanent est théoriquement établi lorsque, sous un débit constant, la charge dans le forage est sta-bilisée à une valeur h(t) constante.

En régime permanent le coefficient de perméabilité Lefranc est calculé à partir de l'expression :

La valeur de m est déterminée à partir des tableaux 1 et 2 avec les notations de la Figure 2.

Toutefois l'obtention d'un régime permanent n'implique pas forcément la représentativité de l'essai. C'est pourquoiil est recommandé de procéder à un calcul en régime transitoire.

A.2 Utilisation des mesures lors de la phase transitoire de l’essai

A.2.1 Terrain perméable (k ≥ 10-5 m/s)

La détermination du coefficient de perméabilité Lefranc se fait de deux façons différentes :

— soit à partir de l'équation différentielle qui régit l'écoulement ;

— soit par comparaison de la courbe expérimentale avec la courbe théorique solution de cette équationdifférentielle.

A.2.1.1 Calcul à partir de l'équation différentielle

L'écoulement est régi par l'équation suivante :

où S désigne la section transversale intérieure du tube d'écoulement. Dans le cas d'un forage tubé, S est la sectioninterne du tubage.

L'exploitation des mesures se fait en traçant les courbes représentatives h(t) en fonction de ∆h/∆t correspondant,d'une part, à la phase de pompage , et d'autre part, à la phase d'observation après l'arrêt du pompage

.

Dans la première phase cette courbe doit être une droite passant obligatoirement par les points de coordonnées :

ce qui permet de calculer kL (voir Figure A.1a)).

kLQa

m h B⋅ ⋅---------------------=

h(t)Qa

S-------

dhdt-------–

S

m kL B⋅ ⋅-----------------------=

Qa 0≠( )Qa 0=

∆h ∆t 0=⁄ ,(∆h ∆t Qa S⁄=⁄ ,(

h Qa m kL B⋅ ⋅⁄= ) ;

h 0 )= ;

— 13 — NF P 94-132

Lorsqu'il n'en est pas ainsi (Figure A.1b)), il convient d'utiliser la méthode présentée au paragraphe A.2.1.2.

Dans la deuxième phase (Qa = 0), cette courbe doit être une droite passant par l'origine. Dans le cas contraire, ondoit également utiliser la méthode du paragraphe A.2.1.2.

A.1a)

A.1b)

Figure A.1 — Variation de la charge h en fonction de ∆h/∆t

En effet, toute autre configuration traduit : soit une modification du comportement du sol en cours d'essai (débour-rage ou colmatage), soit un comportement du sol différent des hypothèses admises.

Pour une charge h, la relation vd < vn < vc doit être satisfaite.

NF P 94-132 — 14 —

A.2.1.2 Calcul à partir de la solution de l’équation différentielle

La courbe théorique h(t), obtenue par résolution de l'équation différentielle, est calculée en utilisant les valeursexpérimentales (voir Figure A.2).

Figure A.2 — Exemples de comparaison de la courbe représentative de la charge h(t) avec les points expérimentaux

— 15 — NF P 94-132

La résolution de l'équation différentielle aboutit en effet à :

avec :

Dans le cas où, au début de l'essai, la nappe est au repos c'est-à-dire lorsque ho est nul :

Le dépouillement de l'essai, à partir de cette dernière méthode, ne peut se faire que par approximations succes-sives à partir de valeurs de kL fixées a priori.

Dans la phase Qa = 0, l'expression de h(t) se simplifie et devient :

L'évaluation de kL se fait soit comme précédemment par comparaison de cette courbe théorique avec les pointsexpérimentaux, soit par ajustement linéaire en coordonnées semi-logarithmiques, puisque :

A.2.2 Terrain peu perméable (k < 10-5 m/s)

La perméabilité de tels terrains ne permet généralement pas d'atteindre le régime permanent. L'essai est alorsréalisé en faisant varier brusquement le niveau d'eau dans le forage en y prélevant un volume V puis en étudiantle retour vers le niveau d'équilibre.

L'usage courant, sauf spécification contraire, est d'utiliser la même méthode que celle décrite précédemment pourQa = 0.

Un calcul prenant en compte la compressibilité du sol peut également être utilisé mais il nécessite des duréesd'essai supérieures à 30 min afin d'observer le niveau jusqu'au retour à l'équilibre. Il repose sur la représentationde la charge en fonction de 1/t. Lorsque la courbe théorique h(1/t) (voir Figure A.3) présente un point d'inflexion,la tangente de pente (a) en ce point est reliée au coefficient de perméabilité Lefranc par la relation :

h(t)Qa

m kL B⋅ ⋅-----------------------

Qa

m kL B⋅ ⋅----------------------- ho– exp – t

te----–

=

teS

m kL B⋅ ⋅-----------------------=

h(t)Qa

m kL B⋅ ⋅----------------------- 1 exp – t

te----–

=

h(t) ho exp tte----–

=

t Sm kL B⋅ ⋅----------------------- ln

ho

h------

=

kLV

2 m B a⋅ ⋅ ⋅----------------------------=

NF P 94-132 — 16 —

Légende

1 Charge, en mètres

2 t, en minutes

Figure A.3 — Essai d’eau Lefranc dans un sol peu perméable — h(1/t) — Exemple

1

2

— 17 — NF P 94-132

Annexe B

(informative)

Essai par paliers

Init numérotation des tableaux d’annexe [B]!!!Init numérotation des figures d’annexe [B]!!!Init numérotation des équations d’annexe [B]!!!

L’essai à débit constant peut être réalisé avec plusieurs paliers enchaînés.

L’exploitation de chaque palier est conduite comme indiqué dans l’annexe A.

Le résultat de l’ensemble des paliers (au minimum trois) permet de détecter des singularités comme indiqué surla Figure B.1 et de déterminer une valeur du coefficient de perméabilité.

a) Essai par prélèvement d'eau

Légende

1 Niveau de la nappe

2 Débourrage initial

3 Débourrage progressif

Figure B.1 — Essai par paliers — Exemples

12

3

NF P 94-132 — 18 —

b) Essai par apport d’eau

c) Essai par paliers

Légende

1 Niveau de la nappe

2 Colmatage initial

3 Colmatage progressif

4 Zone de colmatage

5 Zone de débourrage

Figure B.1 — Essai par paliers — Exemples (fin)

12

3

4

5

h = aQ

kLQ

mhB------------- 1

maB-------------= =